一种耐磨陶瓷叶轮及其制造方法
阅读说明：本技术 一种耐磨陶瓷叶轮及其制造方法 (Wear-resistant ceramic impeller and manufacturing method thereof ) 是由 肖琼 张迎启 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种耐磨陶瓷叶轮,包括前盖板、后盖板和叶片,所述叶片包括嵌入所述前盖板或/和后盖板设置的预烧结陶瓷块；所述预烧结陶瓷块上设有嵌入部,前盖板或/和后盖板上设有与预烧结陶瓷块的嵌入部相嵌合的凹腔,所述嵌入部与凹腔两者的轮廓相适应。本发明还提供了一种耐磨陶瓷叶轮的制造方法。本发明的耐磨陶瓷叶轮及其制造方法,属于回转动力泵设备技术领域,耐磨性能更好、有较好抗汽蚀性能、成本适当、易于大型化,在叶片的工作表面设置耐磨性更好、表面更光滑的预烧结陶瓷块,有利于提高叶轮的抗汽蚀性能,提高泵的效率,预烧结陶瓷块沿叶轮的轴向伸入前盖板或后盖板内,有利于预烧结陶瓷块的固定,有利于提高叶轮强度。(The invention discloses a wear-resistant ceramic impeller, which comprises a front cover plate, a rear cover plate and blades, wherein the blades comprise pre-sintered ceramic blocks embedded into the front cover plate or/and the rear cover plate; the pre-sintered ceramic block is provided with an embedded part, the front cover plate or/and the rear cover plate is/are provided with a concave cavity embedded with the embedded part of the pre-sintered ceramic block, and the embedded part and the concave cavity are matched in outline. The invention also provides a manufacturing method of the wear-resistant ceramic impeller. The invention relates to a wear-resistant ceramic impeller and a manufacturing method thereof, belonging to the technical field of rotary power pump equipment, wherein the wear-resistant ceramic impeller has better wear resistance, better cavitation resistance, proper cost and easy large-scale production.)
技术领域
本发明涉及回转动力泵设备生产领域，更具体地说，它涉及一种耐磨陶瓷叶轮及其制造方法。
背景技术
在选矿和冶炼等行业，经常要用离心泵输送一些有磨蚀性的固液两相流，这时常选用耐磨泵。常见的耐磨泵常用Cr26、Cr15Mo3等耐磨合金或橡胶等耐磨材料制造，这些材耐磨合金制造的泵在很多工况下难以满足使用要求。
众所周知，耐磨陶瓷有比耐磨合金高得多的耐磨性，如碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅结合碳化硅陶瓷等，其耐磨性可比耐磨合金高数倍甚至数十倍，因此CN202100535 U、CN 205687817U、CN 107654414A、CN 108302043A、CN 202100546 U等公开了一些陶瓷叶轮的技术方案。从目前的技术状况看，制造叶轮的陶瓷材质主要是氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氮化硅结合碳化硅(SiC-Si3N4)、氧化物结合碳化硅五种材质。其中氧化铝陶瓷的耐磨性较差，且不易于大型化，在耐磨泵对耐磨性和大型化均有要求的领域受到明显限制；氮化硅陶瓷由于工艺原因，其成本较高，大型化工艺上难度也较大，也难以应用；反应烧结碳化硅陶瓷有极好的耐磨性，成本也相对较低，但由于工艺原因，难以大型化，且成本也较高，使其应用也受到限制；氮化硅结合碳化硅和氧化物结合碳化硅的显微结构类似，包括主相碳化硅颗粒和结合相，前者的结合相是网络状的氮化硅，后者的结合相是网络状的氧化铝、氧化硅、氧化钙等氧化物或其混合物，氮化硅结合碳化硅或氧化物结合碳化硅由于在烧结过程中尺寸几乎不发生变化，且材质中包含有一定数量的微小气孔，这些微小气孔不但有利于烧结时不出现开裂等缺陷，也有利于叶轮在运行时吸收冲击的能量，提高叶轮的耐冲击性能。因此这两种材质近年来在耐磨泵的领域发展较快，不但制造成本在上述几种材质中较低，耐磨性也较好，目前已能用于制造较大尺寸的叶轮。图12、图13所示是现有技术氮化硅结合碳化硅或氧化物结合碳化硅叶轮的示意图，叶轮由氮化硅结合碳化硅或氧化物结合碳化硅材质的前盖板100’、后盖板300’、叶片200’组成，其中碳化硅重量比约为70-75％，氮化硅或氧化物重量比约为25-30％。氮化硅结合碳化硅的制造工艺是将70-75％(重量)的碳化硅颗粒、15-25％(重量)的硅粉和结合剂混合均匀后成型，干燥后进入氮化炉加温，通入99.99％的高纯氮气，在1430℃左右时硅粉和氮气反应生成氮化硅，反应完成后即得到氮化硅结合碳化硅产品；氧化硅结合碳化硅是将70-75％(重量)的碳化硅颗粒、15-25％(重量)的硅粉、5-15％氧化铝、氧化钙等氧化物和结合剂混合均匀后成型，干燥后进入烧结炉，在在1430℃左右时硅粉和氧气反应生成氧化硅。由于反应生成的氮化硅或氧化物呈网络状将碳化硅颗粒完全包覆，且反应生成的氮化硅或氧化物有一定的强度和耐磨性，因此氮化硅结合碳化硅材质或氧化物结合碳化硅的叶轮的耐磨性较耐磨合金叶轮有较大的提高。
但氮化硅结合碳化硅或氧化物结合碳化硅叶轮在应用中也存在一些问题：其一是叶轮是由主相碳化硅和结合相材质结合在起的一种双相材料，其中主相的碳化硅的耐磨性明显高于结合相，因此在使用中，叶轮的表面会因两种材质的不同磨损速度而出现坑洼，使得叶轮的表面粗糙度较高，不但导致效率下降，更重要的是，当叶片表面的粗糙度较高时，会导致泵的抗汽蚀性能明显下降，并使泵的性能受到较大影响。其二是当介质中有较大颗粒时，叶片的头部和工作面的磨损速度会大大高于其它部位，而叶片头部和工作面的严重磨损会进一步恶化泵的抗汽蚀性，降低泵的性能。
CN 209041168 U公开了一种叶轮，该方案在叶轮的中部设置了一个耐磨块，以提高叶片的耐磨性和叶轮的抗汽蚀性，但该方案仅能提高叶片头部的耐磨性，效果有限，且耐磨块的形状复杂，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的之一是提供一种耐磨性能更好、有较好抗汽蚀性能、成本适当、易于大型化的耐磨陶瓷叶轮。
本发明的目的之二是提供一种耐磨陶瓷叶轮的制造方法。
为实现上述目的一，本发明提供了一种耐磨陶瓷叶轮，包括前盖板、后盖板和叶片，所述叶片包括嵌入所述前盖板或/和后盖板设置的预烧结陶瓷块；所述预烧结陶瓷块上设有嵌入部，前盖板或/和后盖板上设有与预烧结陶瓷块的嵌入部相嵌合的凹腔，所述嵌入部与凹腔两者的轮廓相适应。
进一步的，所述叶片还包括和前盖板、后盖板一次烧结成形并设置于所述前盖板与后盖板之间的叶片连接部,并且所述叶片连接部与所述预烧结陶瓷块的背侧面相适应；所述预烧结陶瓷块沿叶轮的轴向方向嵌入所述前盖板或/和后盖板设置。
更进一步的，所述预烧结陶瓷块为碳化硅或氮化硅材质；前盖板和后盖板的材质均为氮化硅结合碳化硅或氧化物结合碳化硅材质。
作为进一步的改进，所述预烧结陶瓷块的嵌入部外侧设有防脱凸起，所述前盖板或/和后盖板的凹腔内壁设有凹槽，所述凹腔内壁的凹槽包裹在嵌入部的防脱凸起外侧。
更进一步的，所述预烧结陶瓷块与前盖板或/和后盖板的结合部浸涂有粘接剂。
作为更进一步的改进，位于所述每个叶片的工作面处设置有至少两个预烧结陶瓷块，所述预烧结陶瓷块的背侧设有支撑所述预烧结陶瓷块的叶片连接部。
作为更进一步的改进，所述预烧结陶瓷块上设置有沿叶轮轴向布置的连接部成型孔，所述连接部成型孔内填充有与所述前盖板、后盖板一体成型设置的叶片连接部。
为实现上述目的二，本发明还提供了一种耐磨陶瓷叶轮的制造方法，所述方法包括：
首先，制造预烧结陶瓷块、叶轮芯盒和叶轮浇注模具；
然后，将覆涂有有机胶的预烧结陶瓷块固定在叶轮芯盒的对应位置上并装入叶轮浇注模具内；
接着，配制混合料向叶轮浇注模具内浇注，硬化后进行拆模并去除叶轮芯盒，得到嵌有预烧结陶瓷块的叶轮坯件；
接着，将预烧结陶瓷块表面的有机胶烧蚀，使预烧结陶瓷块和叶轮坯件的结合处形成气隙，并将叶轮坯件进行烧结得到叶轮烧成品；
最后，再将预烧结陶瓷块与叶轮本体之间的气隙进行充脂处理，得到硬化叶轮。
进一步的，所述的充脂处理的方法包括：将叶轮烧成品浸入树脂中，待树脂充填满预烧结陶瓷块与叶轮本体之间的气隙后取出，去除叶轮上多余的树脂，硬化叶轮上浸涂的树脂，得到硬化叶轮。
更进一步的，所述有机胶烧蚀和氮化烧结的步骤包括：将叶轮坯件放入烧结炉中，加温至300-500℃，将覆涂在预烧结陶瓷块表面的有机胶烧蚀，使预烧结陶瓷块和叶轮坯件的结合处形成气隙；所述烧结的步骤包括：向烧结炉内通入高纯氮气，加温到1400℃-1500℃进行氮化烧结；或在氧化环境中加热至1400℃-1500℃进行氧化烧结。
有益效果
与现有技术相比，本发明的耐磨陶瓷叶轮及其制造方法的有益效果如下：
(1)、本耐磨陶瓷叶轮及其制造方法，叶轮的本体材料为氮化硅结合碳化硅或氧化物结合碳化硅，不但易于叶轮的大型化，且成本较低；由于预烧结陶瓷块的外形尺寸相对较小，且形状简单，采用碳化硅或氮化硅材质在工艺上易于实现，且成本相对较低；
(2)、预烧结陶瓷块采用单相材质的陶瓷材料，如反应烧结碳化硅、无压烧结碳化硅、热压烧结氮化硅等，叶片在使用过程中的磨损相对双相材质的氮化硅结合碳化硅或氧化物结合碳化硅的磨损均匀，且不会因磨损不均导致表面粗糙度明显上升，从而可以避免叶轮的抗汽蚀性能恶化；
(3)、预烧结陶瓷块采用反应烧结碳化硅或热压烧结氮化硅，在磨损工况时，材料自身具有自润滑性能，不但能减轻自身的磨损，还能使自身通过磨损变得越来越光滑，因此有利于提高叶片的寿命和叶轮的效率，提高泵的抗汽蚀性能；
(4)、预烧结陶瓷块采用的碳化硅或氮化硅这两种材质，其膨胀系数和氮化硅结合碳化硅或氧化物结合碳化硅接近，只要采取适当措施就可以防止因热膨胀原因导致叶轮坯件或预烧结陶瓷块在烧结或冷却过程出现破裂；
(5)、在磨损严重的叶片头部采用耐磨性更好的反应烧结碳化硅、无压烧结碳化硅或热压烧结氮化硅，可以显著减缓这些部位的磨损速度，明显延长叶轮的寿命；
(6)、在叶片的工作表面设置耐磨性更好，表面更光滑的预烧结陶瓷块，不但有利于提高叶轮的寿命，还有利于提高叶轮的抗汽蚀性能，提高泵的效率；
(7)、在浇注过程中叶轮坯件在和预烧结陶瓷块结合的部位会自然形成和预烧结陶瓷块嵌入部轮廓相适应的凹腔，使二者在嵌入部位能完全吻合，有利于预烧结陶瓷块的固定；
(8)、预烧结陶瓷块沿叶轮的轴向伸入前盖板或后盖板内，有利于将预烧结陶瓷块牢固的固定；
(9)、在预烧结陶瓷块沿叶轮的轴向伸入前盖板或后盖板内的部位设有防止叶片从其中脱出的凸起，有利于提高叶轮强度；
(10)、浇注氮化硅结合碳化硅或氧化物结合碳化硅混合料之前在预烧结陶瓷块上涂抹适当厚度的(一般为0.2-0.5mm)有机胶的目的是，有机胶在300-500℃左右时，会被烧损成为气体逸出，从而使预烧结陶瓷块和叶轮坯件之间形成合适的气隙，可以防止二者在高温烧结过程中因热膨胀系数的差异发生破裂；
(11)、将烧成后的嵌有预烧结陶瓷块的叶轮浸涂粘接剂，可以将预烧结陶瓷块和叶轮本体之间的原有气隙填满，使预烧结陶瓷块和叶轮本体牢固地结合在一起。
附图说明
图1为本发明实施例1的剖视图；
图2为图1在A-A方向的剖视图；
图3为本发明实施例1中预烧结陶瓷块201装配在芯盒中的示意图；
图4为本发明实施例2的剖视图；
图5为图4在B-B方向的剖视图；
图6为本发明实施例2中预烧结陶瓷块201装配在芯盒中的示意图；
图7为本发明实施例3的剖视图；
图8为图7在C-C方向的剖视图；
图9为本发明实施例3中预烧结陶瓷块201装配在芯盒中的示意图；
图10为本发明实施例4的剖视图；
图11为图10在D-D方向的剖视图；
图12为现有技术中陶瓷叶轮的剖视图；
图13为图12在E-E处的剖视图。
图中：100、前盖板；200、叶片；201、预烧结陶瓷块；202、叶片连接部；2011、防脱凸起；204、连接部成型孔；300、后盖板；400、叶轮芯盒。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明的具体实施方式是这样的：
实施例1
如图1-3所示，一种耐磨陶瓷叶轮，叶轮的本体材料为氮化硅结合碳化硅，不但易于叶轮的大型化，且成本较低，包括前盖板100、后盖板300和叶片200，叶片200包括嵌入前盖板100或/和后盖板300设置的预烧结陶瓷块201。预烧结陶瓷块201上设有嵌入部，前盖板100或/和后盖板300上设有与预烧结陶瓷块201的嵌入部相嵌合的凹腔，嵌入部与凹腔两者的轮廓相适应。预烧结陶瓷块201为在叶轮成型时已烧结完成的陶瓷片；由于预烧结陶瓷块201的外形尺寸相对较小，采用碳化硅或氮化硅材质在工艺上易于实现，且成本相对较低。而且，预烧结陶瓷块201嵌入前盖板100、后盖板300内，与前盖板100、后盖板300连接紧密，结构更加牢固，不易松动。预烧结陶瓷块201的前侧面作为叶片200的工作面，预烧结陶瓷块201的结构表面光滑并且耐磨性好，使用时，磨损少，也防止泵内的固体堆积，防止堵塞。
在本实施例中，叶片200还包括一次烧结成形设置于前盖板100与后盖板300之间的叶片连接部202,并且叶片连接部202与预烧结陶瓷块201的背侧面相适应；预烧结陶瓷块201沿叶轮的轴向方向嵌入前盖板100或/和后盖板300设置；预烧结陶瓷块201设置在叶片200的工作面处，预烧结陶瓷块201的前侧面为工作面，叶片连接部202为可以支撑前盖板100、后盖板300以及定位预烧结陶瓷块201的支撑结构，保证预烧结陶瓷块201不易损坏。
凹腔设置在前盖板100和/或后盖板300上，与预烧结陶瓷块201的嵌入部轮廓相适应。凹腔轮廓为在浇注成型时，叶轮坯件在和预烧结陶瓷块201结合的部位会自然形成的，使二者在结合部位能完全吻合，有利于预烧结陶瓷块201的固定。
在本实施例中，预烧结陶瓷块201为碳化硅或氮化硅结构。预烧结陶瓷块201采用单相材质的陶瓷材料，如反应烧结碳化硅、无压烧结碳化硅、热压烧结氮化硅等，叶片在使用过程中的磨损相对双相材质的氮化硅结合碳化硅的磨损均匀，且不会因磨损不均导致表面粗糙度明显上升，从而可以避免叶轮的抗汽蚀性能恶化。
预烧结陶瓷块201如采用反应烧结碳化硅或热压烧结氮化硅，在磨损工况时，材料自身具有自润滑性能，不但能减轻自身的磨损，还能使自身通过磨损变得越来越光滑，因此有利于提高叶片的寿命和叶轮的效率，提高泵的抗汽蚀性能。预烧结陶瓷块201采用的碳化硅或氮化硅这两种材质，其膨胀系数和氮化硅结合碳化硅接近，只要采取适当措施就可以防止因热膨胀原因导致叶轮坯件或预烧结陶瓷块201在烧结或冷却过程出现破裂。在磨损严重的叶片头部采用耐磨性更好的反应烧结碳化硅、无压烧结碳化硅或热压烧结氮化硅，可以显著减缓这些部位的磨损速度，明显延长叶轮的寿命。
在本实施例中，预烧结陶瓷块201的嵌入部外侧设有防脱凸起2011，前盖板100或/和后盖板300的凹腔内壁设有凹槽，凹腔内壁的凹槽包裹在嵌入部的防脱凸起2011外侧。防脱凸起2011能防止预烧结陶瓷块201脱落，有利于提高叶轮强度。防脱凸起2011的截面宽度尺寸大于预烧结陶瓷块201的截面宽度尺寸。预烧结陶瓷块201与前盖板100及后盖板300的结合处浸涂有粘接剂。
一种耐磨陶瓷叶轮的制造方法，方法包括：
首先，制造预烧结陶瓷块201、叶轮芯盒400和叶轮浇注模具；
然后，将覆涂有有机胶的预烧结陶瓷块201固定在叶轮芯盒400的对应位置上并装入叶轮浇注模具内；
接着，配制混合料向叶轮浇注模具内浇注，硬化后进行拆模并去除叶轮芯盒400，得到嵌有预烧结陶瓷块201的叶轮坯件；
接着，将叶轮坯件进行氮化烧结得到叶轮烧成品；
最后，再将预烧结陶瓷块201与叶轮本体之间的气隙进行充脂处理，得到硬化叶轮。
如附图3所示，本实施例中叶轮成形时预烧结陶瓷块201在叶轮芯盒400中固定的情形，预烧结陶瓷块201和叶轮芯盒400的对应位置吻合，利用粘接剂将预烧结陶瓷块201固定在芯盒400的对应位置，叶轮芯盒400可采用消失模，将固定有预烧结陶瓷块201的叶轮芯盒400放入模具中，向模具中浇注碳化硅颗粒、金属硅粉和结合剂的混合料，按工艺成型，待混合料硬化后拆模，干燥后加温融化消失模结构的叶轮芯盒400，即获得叶轮的坯件，将坯件放入烧结炉中进行氮化烧结，金属硅粉和氮气反应生成的氮化硅可将碳化硅颗粒的表面包覆，形成有较高机械强度的叶轮本体，在结合部浸涂树脂，当树脂硬化后，预烧结陶瓷块201就能可靠的在叶轮上固定。
浇注之前在预烧结陶瓷块201上涂抹适当厚度的(一般为0.2-0.5mm)有机胶的目的是，有机胶在300-500℃左右时，会被烧损成为气体逸出，从而使预烧结陶瓷块201和叶轮坯件之间形成合适的气隙，可以防止二者在高温烧结过程中因热膨胀系数的差异发生破裂。
充脂处理的方法包括：将叶轮烧成品浸入树脂中，待树脂充填满预烧结陶瓷块201与叶轮本体之间的气隙后取出，去除叶轮上多余的树脂，硬化叶轮上浸涂的树脂，得到硬化叶轮。将烧成后的嵌有预烧结陶瓷块201的叶轮浸涂粘接剂，可以将预烧结陶瓷块201和叶轮本体之间的原有气隙填满，使预烧结陶瓷块201和叶轮本体牢固地结合在一起。
预烧结陶瓷块201上设置能够轴向嵌入前盖板100、后盖板300内的防脱凸起2011，在叶轮芯盒400上设置与防脱凸起2011相适应的模腔。
去除叶轮芯盒400的方法包括：设置消失模结构的叶轮芯盒400，混合料向叶轮浇注模具内进行浇注并硬化、拆模后，进行坯件干燥、加温以去除叶轮芯盒400。
混合料包括碳化硅颗粒、金属硅粉以及结合剂。将碳化硅颗粒、金属硅粉、结合剂按比例混合成均匀的混合料，将混合料浇注在叶轮浇注模具内。
有机胶烧蚀和氮化烧结的步骤包括：将叶轮坯件放入烧结炉中，加温至300-500℃，将覆涂在预烧结陶瓷块201表面的有机胶烧蚀，使预烧结陶瓷块和叶轮坯件的结合处形成气隙；向烧结炉内通入高纯氮气，加温到1400℃-1500℃进行氮化烧结。
将烧成的叶轮浸渍结合剂，使预烧结陶瓷片201结合部位的气隙充满结合剂。硬化结合剂，使叶轮成为一个牢固的整体，得到叶轮成品。
实施例2
如附图4-6所示，本实施例和实施例1大致相同，不同之处是，前盖板100和后盖板300的材质为氧化物结合碳化硅，预烧结陶瓷块201为热压烧结的氮化硅结构，位于叶片200的工作面处设置有两个预烧结陶瓷块201，两个预烧结陶瓷块201的背侧设有支撑两个预烧结陶瓷块201的叶片连接部202，两个预烧结陶瓷块201为薄片状结构，紧贴叶片连接部202。在预烧结陶瓷块201沿叶轮轴向延伸至前盖板100或后盖板300的部位设置有防止预烧结陶瓷块201脱出的防脱凸起2011。
实施例3
本实施例和实施例1大致相同，不同之处是预烧结陶瓷块201为无压烧结的碳化硅结构，预烧结陶瓷块201上设置有沿叶轮轴向布置的连接部成型孔204，连接部成型孔204内填充有与前盖板100、后盖板300一体成型设置的叶片连接部202，预烧结陶瓷块201为环绕叶片连接部202的封闭环结构，与叶片连接部202的接触面积大，结构更加牢固。
叶轮本体为氮化硅结合碳化硅的材质结构。
实施例4
如附图10、附图11所示，本实施例和实施例1大致相同，不同之处是每个叶片200由一个预烧结陶瓷块201构成，即叶片200的材质全部是碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷，因此叶片有非常好的耐磨性和抗汽蚀性能，在预烧结陶瓷块201沿叶轮轴向延伸至前盖板100或后盖板300的部位设置有防止预烧结陶瓷块201脱出的防脱凸起2011。
将本耐磨陶瓷叶轮用于台架试验，本叶轮的汽蚀发生点较现有技术的叶轮汽蚀发生点的流量提高了约17％，即本叶轮抗汽蚀性能大大提高。
将本耐磨陶瓷叶轮在矿厂中进行使用，和现有技术的应用结果对比表明，叶片头部的磨损速度下降了约85％，使得本叶片头部的磨损速度低于叶轮其它部位，大大提高了叶轮的寿命。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
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